（控制理论与控制工程专业论文）多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 步迸电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，步进电机的主要优点是有 较高的定位精度，无位置累积误差：并且特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比减 少系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是，步进电机在低速运 行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，输出转矩随 着步进电机的转速升高而下降，这些缺点制约了步进电机的应用范围。 步进电机的使用离不开步进电机驱动器，步进电机的运行性能与步进电机驱动器的 优劣密切相关。传统的驱动方式偏重使步进电机绕组电流以尽可能短的时间上升到额定 值，从而提高电机高速运行时的转矩，造成低速运行时的振动和噪音加大。并且为满足 用户对不同步距角的要求，步进电机和配套驱动器的品种繁多，通用性差。 本文在调研各种驱动技术的基础上，设计实现了基于正弦电流细分和电流追踪型脉 宽调制( p w m ) 技术的多细分三相混合式步进电机驱动器，包括硬件设计、软件实现 和性能实验。正弦电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺 点，减小发生共振的几率。电流追踪型脉宽调制( p w m ) 技术使电机运行在较大速度 范围内转矩保持恒定。本文设计的驱动器有1 6 种细分方式，步距角种类多，有4 种不 同的输出相电流，以满足不同用户和不同电机的要求。该驱动器的功率驱动部分使用 i g b t 智能功率模块，提高了驱动器可靠性。 实验表明，驱动器细分运行时减弱了混合式步进电机的低速振动，电机运转平稳， 太大减轻了噪声；同对该驱动器具有较小的体积、较低的成本和较高的可靠性。驱动器 己成功应用到多家企业的制袋机数控系统中。 关键词：混合式步进电机；细分驱动器；脉宽调制 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f m u l t i m i c r o s t e p p i n gd r i v e rf o r t h r e e p h a s eh y b r i ds t e p p e rm o t o r a b s t r a c t t h es t e p p e rm o t o ri sa l le l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c et h a tc o n v e r t se l e c t r i c a lp u l s e si n t o d i s c r e t em e c h a n i c a lm o v e m e n t s t h ea d v a n t a g e so fs t e p p e rm o t o rf i r ep r e c i s ep o s i t i o n i n ga n d n o n c u m u l a t i v em o v e m e n te r r o rf r o mo n es t e pt ot h en e x t c o m p a r e dt oc l o s e dl o o pc o n t r o l ， o p e nl o o po p e r a f f o no fs t e p p e rm o t o ri sm o r er e l i a b l ea n dl e s se x p e n s i v e t h ed i s a d v a n t a g e s i nu s i n gas t e dm o t o ra r ev i b r a t i o na n dn o i s ea tl o ws p e e d s 。r e s o n a n c ew h e nt h em o t o ri s o p e r a t e da to ra r o u n dt h en a m r a ir e s o n a n c ef r e q u e n c y , m o t o rt o r q u ed e c r e a s i n gw i t hs p e e d i n c r e a s i n g t h e s ed i s a d v a n t a g e sl i m i ts t e pm o t o r sa p p l i c a t i o n s t e pm o t o rc a n n o tw o r kw i t h o u ts t e pm o t o rd r i v e r i t sp e r f o r m a n c ei sc l o s er e l a t e dt o s t e p p e rm o t o rd r i v e r t r a d i t i o n a l l y , am o t o r d r i v e ri st op r o v i d et h er a t e dc u r r e n tt ot h em o t o r w i n d i n g si nt h es h o r t e s tp o s s i b l et i m e ，h e l p h a gt om a i n t a i nh i g hs p e e dt o r q u e a sar e s u l t ， m o t o r sv i b r a t i o na n dn o i s ei sg r e a t e ra tl o ws p e e d s o t h e r w i s e 。m a n yt y p e so f s t e pm o t o ra n d d r i v e rh a v et ob ep r o d u c e di no r d e rt os a t i s f yc u s t o m e r sn e e df o rd i f f e r e n ts t e pa n g l e s a f t e rs t u d ym a n yk i n d s o fd r i v e rt e c h n o l o g y ，am i c r o s t e p p i n gd r i v e rf o rt h r e e - p h a s e h y b r i ds t e p p e rm o t o rh a sb e e nd e s i g n e d t h ed r i v e ra d o p t ss i n ew a v ec u l t e n ts u b d i v i d i n ga n d c u r r e n tt r a c k i n gp w mt e c h n o l o g y s i n ew a v ec u r r e n ts u b d i v i d i n gt e c h n o l o g yn o to n l y o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so fm o t o r 8v i b r a t i o na n dn o i s ea ti o ws p e e d sb u ta l s or e d u c e s p r o b a b i l i t yo fr e s o n a n c e c u r r e n tt r a c k i n gp w mt e c h n o l o g yc a l lm a i n t a i nc o n s t a n tt o r q u e w i t h i nw i d es p e e dr a n g e t h i sd r i v e rh a s1 6k i n d so f m i e r o s t e p p i n gm o d e sa n df o u rk i n d so f o u t p u tp h a s ec u r r e n tt h a tc a nm e e tt h en e e do fd i f f e r e n tc u s t o m e ra n dm o t o r t h ep o w e rs t a g e o f t h i sd r i v e ru s e si g b ti n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l et h a tp r o v i d e sh i 曲r e l i a b i l i t y e x p e r i m e n t si n d i c a t et h i sm i c r o s t e p p i n gd r i v e rr e d u c ev i b r a t i o na n dn o i s eo fs t e pm o t o r i th a ss m a l ls i z e ，l o wc o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y s o m ee n t e r p r i s e su s e dt h i st y p eo fd r i v e r s u c c e s s f u l l yi nn c s y s t e mo f b a g m a k i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：h y b r i ds t e p p e rm o t o r ；m i c r o s t e p p i n gd r i v e r ；p w m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蕴丝盔：日期：塑： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 趁年l 月上曰 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及 其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它 就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 即步距角) 。脉冲输入越多，电机转 子转过的角度就越多；同时，输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率 来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同， 可分为常用三大类：反应式( v r ，也称磁阻式) 、永磁式口m ) 、混合式f i r e ) 。其中混合式 步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。 1 2 步进电机的特征 步进电机具有自身的特点，归纳起来有【u 】： ( 1 ) 步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制： 以5 相步进电机为例，其定位基本单位( 分辨率或称步距角) 为o 7 2 。( 整步) 0 3 6 。 ( 半步) ，是非常小的；停止定位精度误差皆在每步3 5 以内，且无累积误差，故可达 到高精度的定位控制。 ( 2 ) 位置及速度控制简便： 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活 的角度控制( 位置控制) 。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围 内平滑调节。 ( 3 ) 可以直接进行开环控制： 因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的 脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。 ( 4 ) 高可靠性： 不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 ( 5 ) 具定位保持力矩： 永磁式、混合式步进电机在停止状态下( 无脉冲信号输入时) ，仍具有励磁保持力矩， 故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 ( 6 ) 中低速时具备高转矩： 步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 同时，步进电机也有自己的一些缺点： ( 1 ) 步进电机带惯性负载的能力较差。 ( 2 ) 不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设备步进电机驱动器。 ( 3 ) 输出转矩随转速的升高而下降。 ( 4 ) 从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电机 在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和电 机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行的 脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱动 器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问题。 步迸电机在极低频率下做连续步进运行，即每改变一次通电状态，转子转过一个步距角。 如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次才衰 减到新的平衡位置而停止下来。每来一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中获得一 次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的自由振 荡频率时电机会出现严重的振动，甚至失步导致无法工作，这就是步进电机的低频共振 现象。一般不允许在共振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有 效的克服低频共振的危害。 1 3 步进电机驱动系统概述 步进电机的工作必须使用专用设备步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉 冲，按一定的规律向电机各相绕组通电( 励磁) ，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步 进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3 大部分。步进电机驱动系统的性能除与电 机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器的优劣。当电机和负载己经确定之后， 整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法 3 1 。 步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调 压驱动和细分驱动等【2 ”。 ( 1 ) 单电压驱动：主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改 善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱动器 的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能 指标要求不高的步进电机驱动。 ( 2 ) 高低压驱动：电机每相绕组导通时，首先施加商电压，使电流快速上升，当电流 上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形 得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机 大连理工大学硕士学位论文 旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩 有所下降且需要双电源供电。 ( 3 ) 斩波恒流驱动：为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩，人 们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的 有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降， 效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。 ( 4 ) 调频调压驱动：特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变， 步迸电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡；在高频时工作在 高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。 ( 5 ) 细分驱动：它是将电机绕组中的电流细分由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。 这样，绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽 然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减d , n 原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。由于绕组 的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减 轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得 了广泛应用。 1 4 国内外研究概况及发展趋势 近年来，随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，步进电机在自 动化领域的应用也越来越广泛。我国的步进电机行业起步较早，并一度以反应式步进电 机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色，目前，仍有许多国内用户使用反应式步 进电机。混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好，在发达国家中， 越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。步进电机驱动技术的发展也 十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制 约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用己被国外淘汰的单电压串电 阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技 术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分 技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在 步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、s p w m ( 正弦脉宽调制) 和细分 技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在 中、小功率范围内向高速精密化领域渗透；另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍 采用单片机加上外围电路，或专用s p w m 芯片甚至d s p 来产生s p w m 波来控制功放电 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小。功率开关管目前采用的功率场 效应管( m o s f e t ) ，与早先采用的大功率晶体管( g t r ) 相比有很多优点：性能更加优越的 绝缘栅极晶体管( i o b t ) 也已应用于高速型及较大功率的步迸电机驱动电路中；而把 i g b t 驱动电路及保护电路等都集成在一起的智能i g b t 功率模块，具有结构简单、性 能稳定及运行可靠等优点，目前已开始应用于中、小功率步进电机的驱动。 1 5 本文研究内容 ( 1 ) 采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制， 以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。 ( 2 ) 多细分设置，使电机具有常见的二相和五相步进电机的步距角，让三相电机同 时具有二相和五相电机的性能。同时提供多种相电流设置，以适应不同电机的需求，从 而使该驱动器的适用面广。 ( 3 ) 用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。 ( 4 ) 驱动器的功率驱动环节采用i g b t 智能功率模块，该模块将i g b t 及其驱动电路 和短路、过压、欠压、过温等保护电路集成在一起，极大的简化了驱动器的设计，克服 传统驱动器可靠性差的缺点。 大连理工大学硕士学位论文 2 混合式步进电机及其工作原理 2 1 混合式步进电机的结构特点 混合式步进电机的典型结构如图2 1 所示，主要由定子、转子和机壳构成。定子结 构包括定子磁极，绕组线圈和绝缘材料组成。定子上有多个磁极，每个磁极上绕有励磁 线圈，磁极末端有均匀的小齿。相对两个磁极的励磁绕组串联在一起构成一相控制绕组， 通电时，这两个磁极的极性是相同的。按相数的多少分为不同结构的混合式步进电机， 常见的是2 相、3 相和5 相混合式步进电机。转子由环形永磁体及两段铁心组成，环形 永磁体在转子的中部，轴向充磁，使转子一端极化为南磁极，另一端极化为北磁极。两 段铁心分别装在永磁体的两端，转子铁心上有小齿，两段铁心上的小齿相互错开半个齿 距。通常三相步进电机的转子有5 0 齿，两段铁心上的小齿相互错开半个齿距，即错开 3 6 0 ，定转子小齿的齿距通常相同。 图2 i 混合式步进电机结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f h y b r i ds t e p p e rm o t o r 南 的 6 度 2 2 混合式步进电机的基本工作原理 图2 2 为三相混合式步进电机的简化模型，定子为三相六极，三相绕组分别绕在相 对的两个磁极上，绕组通电时这两个磁极的极性是相同的，它的每段转子铁心上有八个 小齿。从电机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子 齿的轴线就错开1 3 齿距。如图2 2 ( a ) 中所示a 段转子铁心的情况，a 相磁极下定转子 齿的轴线重合时，b 、c 相磁极分别与转子齿错开1 3 齿距。a 、b 7 、d 极下的情况分 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 别与a 、b 、c 极下的情况相同。 假如转子上没有磁体，只是在定子的控制绕组里通电，这个电机不产生转矩。由于 转子磁体的作用，使a 段转子铁心里n 极性，b 段转子铁心呈s 极性。当a 相通电时， 转予处于图中所示的位置，此时与a 段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导为最大， 与b 段转子铁心相对的定子a 相极下气隙磁导为最小。当转子转动时，a 段转子铁心对 应的a 相极下气隙磁导减小，b 段转子铁心对应的a 相极下气隙磁导增大，使得a 相 主磁路上的总磁导基本不变，其它相通电时也一样，所以没有转矩。 ( a ) 嘏铁芯截面图( b ) b 段铁芯截面图 图2 2 三相混合式步进电机的横截面图 f i g2 2c r o s ss e c t i o no f t h r e e - p h a s eh y b r i ds t e p p e rm o t o r 三相混合式步进电机的转子磁体充磁以后，一端为n 极，并使得与之相邻的转子铁 心的整个圆周都呈n 极性：另一端为s 极，并使得与之相邻的转子铁心的整个圆周都呈 s 极性。如果定子绕组不通电，仅仅有转子磁体的作用，电机也基本上不产生转矩。永 磁磁路是轴向的，从转子a 端到定子的a 端，轴向到定子的b 端、转子的b 端，经磁体 闭合。在这个磁路上每个极的范围内，由于两段转子的齿错开了1 2 齿距，当一端磁导 增大时，另一端磁导必然减小，在忽略高次谐波时，使每个极的总磁导在转子位置不同 时基本保持不变，因而整个磁路的总磁导与转子位置无关。 只有在转子磁体与定子磁场相互作用下，才产生电磁转矩。例如转子磁体充磁，且 定子a 相通电的情况下，转子就有一定的稳定平衡位置，即a 相a 段极下定转子齿对 齿的位置。当外加力矩使转子偏离稳定平衡位置时，例如转子向逆时针方向转了一个小 的角度a 8 ，则两段定转子齿的相对位置及作用转矩的方向，如图2 ，3 ( a ) 、( b ) 所示，由 于沿圆周方向电机结构的对称性，图中只画出了通电相一个极下的情况。可以看到，两 段转子铁心所受到的电磁转矩是同方向的，都是使转子回到稳定平衡位置的方向。这是 由于在电机两端，定子极性相同，转子极性相反，但互相错开了半个齿距，所以当转子 大连理工大学硕士学位论文 偏离稳定平衡位置时，两端作用转矩的方向是一致的。同时可以清楚地看到，混合式步 进电机的稳定平衡位置是：定转子异极性的极下磁导最大、而同极性的极下磁导最小。 ) t 我婀巩 ： 刚矗tu fu c 门l l 同同同l ；： h ) h 段舳请建 图2 3 转子转过ae 时，两端转子齿的相对位置 f i g 2 3t h e r e i a t i v ep o s i t i o no f t w op a r t so f r o t o rt e e t hw h e nr o t o rr o t a t e 日a n g l e 上述电机任意二个相邻定子磁极轴线间的夹角为3 6 0 0 6 = 6 0 0 ，每一个转子齿距所对 应的空间角度为3 6 0 0 8 = 4 5 0 。 当一相绕组通电，例如a 相绕组正向通电，b 、c 二相绕组不通电时，电机内建立 以a 为轴线的磁场。这时a 相磁极呈s 极性，而转子铁心a 段呈n 极性，b 段呈s 极 性，由于转子的稳定甲衡位置是使定转子异极性的极下磁导最大，同极性的极下磁导最 小的位置，故转子处于图2 2 所示的位置：a 相磁极与a 段转子齿轴线重合，与b 段转 子齿错开1 2 齿距。a 、b 相磁极轴线间所包含的转子齿距数为6 0 * 4 5 0 = 1 + 1 3 ，则b 相 磁极沿a b c 方向分别与a 、b 段转子齿相差1 3 、1 6 齿距，而c 相磁极沿a b c 方向 分别超前a 、b 段转子齿2 3 ，+ 1 6 齿距。 在a 相断电的同时，给b 相反向通电，则建立以b b 7 为轴线的磁场。此时b 相磁 极呈n 极性，转子沿c b a 方向转过1 6 齿距，达到b 相磁极与b 段转子齿轴线重合、 与a 段转子齿错开1 2 齿距的位置。此时c 相磁极沿c b a 方向分别超前a 、b 段转子齿 1 6 、1 3 齿距；a 相磁极沿c s a 方向分别超前a 、b 段转子齿1 1 6 、i 3 齿距。 相似地，在b 相断电的同时，给c 相正向通电，则建立磁场的轴线为c c ，方向，转 子又沿c b a 方向转过了1 6 齿距，达到c 相磁极与a 段转子齿轴线重合、与b 段转子 齿错开1 1 2 齿距的位置。 可见，在连续不断地按a 斗b 斗c - - 4 a 斗b 斗c 寸a 的顺序分别给各相绕组通电 时，每改变通电状态一次时，转子沿c b ，a 方向转过1 6 齿距，即7 5 0 空间角；循环一 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 次，转子沿c b a 方向转过一个齿距，即4 5 0 空间角。同理，如果按 a 斗己_ b 专五斗c 号百呻a 的顺序轮流通电，转子沿a b ，c 方向以较慢的速度断续 转动。也就是说，改变轮流通电的顺序，就可以改变电机的转向。 2 3 混合式步进电机的控制特点 2 3 1 转矩矢量分析 图2 4 是三相混合式步进电机各相绕组单独通电和多相绕组同时通电时合成转矩矢 量图 6 】。 t 鼯 图2 4 三相混合式步进电机转矩矢量图 f i g 2 4t h e v e c t o rd i a g r a mo f t h r e e - p h a s es t e p p e rm o t o r 其中，t a 、t b 、t c 分别是a 、b 、c 绕组分别通正向电流时的转矩，这3 个转矩 矢量之间相互差1 2 0 0 电角度；t a 、t b 、t c 分别是a 、b 、c 绕组通反向电流时的转 矩。这6 个转矩矢量之间相互差6 0 。电角度。 当a 绕组中通以正向电流，b 绕组中通以反相电流时，用矢量相加的办法，合成转 矩t a b 为单相通电时的1 7 3 2 倍。若三相绕组同时通电，例如当a 、c 绕组中通正向电 流，b 绕组中通反相电流时，合成转矩t a b c 为单相通电时的2 倍。为了使三相混合式 步迸电机输出较大的转矩，宜采用多相通电的工作方式。 2 3 2 绕组通电方式 在步进电机中，定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个 步距角。每一个脉冲信号对应于绕组的通电状态改变一次，也就对应于转子转过一个步 距角。对步进电机加一系列连续不断的脉冲时，它可以连续不断的转动，转子的平均转 速正比于脉冲的频率，转子转过的角度等于步距角与脉冲数量的乘积。 大连理工大学硕士学位论文 如上所述，在a 、b 、c 三相绕组内分别单独通电的运行方式，称为三相单六拍运 行。“三相”是指三相步迸电机，“单”是指同时只有一相绕组通电，“六拍”是表示 六种通电状态为一个循环，即六次通电状态后电机内的磁场恢复到初始的状态，转子转 过一个齿距，定转子齿的相对关系不变。 除了三相单六拍运行方式外，三相混合式步进电机还可以在不同的通电方式下运 行，有4 种基本逻辑通电方式哪! ： ( 1 ) 3 拍通电方式：有2 2 相通电和3 3 相通电两种运行方式。 ( 2 ) 4 拍通电方式：有2 3 相通电运行方式。 ( 3 ) 6 拍通电方式：有2 - 2 相通电和3 3 相通电两种运行方式。 ( 4 ) 1 2 拍通电方式：有2 3 相通电运行方式。 常用的二种典型通电方式为：2 - 2 相6 拍通电方式和2 - 3 相1 2 拍通电方式。 2 - 2 相6 拍通电方式绕组通电状态变化规律为： a c 斗一c b 寸b 五呻一a c 寸c b 一酞一a 己 2 3 相1 2 拍通电方式绕组通电状态变化规律为： a c 斗a 四_ c b - - + c b a - 9 b a b a c a c 哼a c b 寸c b _ c b a b a _ b a c 2 3 3 步距角的控制 在不同的通电方式运行下，步进电机的步距角是不一样的，其大小为齿距角除以拍 数，若用m 。表示运行拍数，z r 表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度 称为步距角，用优表示，则： 巩：丝 m 1 2 r ( 2 1 ) 从( 2 1 ) 式可以看出，拍数和转子齿数不同时，步距角不同，且步距角与拍数或转子 齿数成反比。当三相混合式步进电机转子为5 0 齿，若采用3 拍通电工作方式时，以= 2 4 。； 采用4 拍通电工作方式时，o b = 1 8 。；采用6 拍通电工作方式时，0 b = 1 2 。；采用1 2 拍通 电工作方式时，巩= 0 6 0 。 2 4 步进电机的运行特性 2 4 1 静态运行状态 步进电机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 间的夹角0 叫做失调角，用电角度表示。步进电机静态运行时转子受到的转矩t 称作静 转矩。通常以使0 增加的方向为正。步迸电机的静转矩t 与失调角0 之间的关系t = f ( 口) 叫做矩角特性。当步迸电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故 转子一个齿对应电角度为2 7 r 。在步进电机某相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定 子齿与异极性的转子齿对齐，那么失调角0 = 0 ，静转矩t = 0 ，如图2 5 ( a ) 所示；如果定 子齿与异极性转子齿未对齐，即0 瑚 百，出现切向磁力，其作用是使转子齿与定子齿尽 量对齐，即使失调角0 减小，故为受值，如图2 5 ( b ) 所示。如果为空载，那么转矩作用 的结果是使异极性转子齿与定子齿完全对齐；如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿 刚好错开，即0 - - - r ，转子齿左右两个方向所受的磁力相等，步进电机所产生的转矩为0 ， 如图2 5 ( c ) 所示。 击 与 几| 门卤厂1 几 ni 她 雌卜i 一。 j 兀旷乙 啡一中斗一 图2 5 定子和转子齿的位置关系 f i g 2 , 5 t h er e l a t i o n s h i po f t h e p o s i t i o n s o f r o t o r a n ds t a t o r t e e t h 步进电机的静转矩t 随失调角日呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距，也就是 2 丌电角度。混合式步进电机的静转矩t 与失调角日的关系近似为正弦曲线，称为矩角 特性，如图2 6 所示。 瓜稳定平衡点 1 一 静稳定区 图2 6 步进电机的矩角特性 f i g 2 6a n g l e - t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c s 步进电机在静转矩的作用下，转子必然有一个稳定平衡位置。如果步进电机为空载 大连理工大学硕士学位论文 那么转子在失调角8 = 0 处稳定，即在通电相定子齿与异极性转子齿对齐的位置稳定。在 静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿o 口 丌，则在外力消除后，转子在静转 矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置。当日= 士1 r 时，转子齿左右两边所受的磁力相 等而相互抵消，静转矩t = 0 ，但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子所受的左右两 个方向的磁力不再相等而失去平衡，故8 - - 士v 是不稳定平衡点。在两个不稳定平衡点之 间的区域构成静稳定区，即一删 o ，转子继续转动，停在稳定平衡点b 处，此处t 又为0 。同理，当c 相通电时，又 由b 转到c l 点，然后停在曲线c 的稳定平衡点c 处。接下来a 相通电，又由c 转到a 。7 并停在a ，处，一个循环过程即为a b l 一c i c a l o 一。a 相通电时，一删 霄为静 稳定区，当a 相绕组断电转到b 相绕组通电时，新的稳定平衡点为b ，对应于它的静稳 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 定区为一卅口b 瑚 t l ，故转子继续转到b 。点，在b 1 点t = t l 转子停止，接下来c 相通电的运转情况 类似。个循环的过程为a 1 一b 户b 1 一c 2 - - c 1 - - - a 2 0a ，。 图2 8 步进电机步进负载运行 f i g 2 8s t e p p e rm o t o rr o t a t ei nad i s c o n t i n u o u sw a y w i t hl o a d 如果负载较大，转子未转到曲线a 、b 的交点就有t = t l ，转子停转，当a 相断电b 相 通电，转到曲线b 后t u c 时，给上桥臂晶体管t 1 导通信号，则a 相相对于直流电源假想中点o 的输出电压u a 0 - u d 2 ：当u 。 u c 时，给下桥臂t 4 以导通信号，给t 1 以关断信号，则 u 矗一u d 2 。t i 和t 4 的驱动信号始终是互补的，b 相和c 相的控制方式和a 相相同。u 。、 砜、u 。的波形如图3 1 6 所示，可以看出，这些波形都只有士u d 2 两种电平。图中的 u 。b = u b o _ u 。得出，可以看出，当t 1 和t 6 导通时，u 曲= u d ，当t 3 和t 4 导通时，u b = 一u d ， 当t 1 年i j t 3 或t 4 和t 6 导通时，u v = o ，因此逆变电路输出线电压由u d 、o 三种电平构成。 大连理工大学硕士学位论文 u 0 u a 0 一；姗附船 图3 1 6 三相s p i r a l 逆变电路波形 f i g 3 1 6t h ew a t v ef o r n a so f 3 - p h a s es p w m c i r c u i t 3 6 3s p w m 的调制方式 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，p w m 调制方式分为异步调制、同 步调制和分段同步调制2 ”。 ( 1 ) 同步调制 在改变调制信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波频率与信号频率的比值 ( 载波比) 保持不变。这种调制优点是，在开关频率较低时可以保证输出波形的对称性。 但是这种调制，在信号频率较低时，载波的数量显得稀疏，电流的波形脉动较大，谐波 分量剧增，电机的谐波损耗及脉动转矩也相应增大。另外，这种调制由于载波周期随信 号周期连续变化而变化，在利用微计算机进行数字化控制技术时，带来极大不便，难以 实现。 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 ( 2 ) 异步调制 在调制信号周期变化的同时，载波周期仍保持不变，因此，载波比随之变化。这种 调制的缺点恰是同步调制的优点。但是，在i g b t 等高速功率开关器件的情况下，由于 载波频率可以做得很高，上述的缺点实际上已d , n 完全可以忽略的程度。反之，正由于 是异步，在低频输出时，一个信号周期内，载波个数成数量级的增多，这对抑制谐波电 流、减轻电机的谐波损耗及转矩脉动大有好处。另外，由于载波频率是固定的，也便于 数字化控制。目前应用最广泛的是这种调制方式。 ( 3 ) 分段同步调制 对于门极可关断晶闸管( g t o ) 之类开关频率不很高的功率器件，单使用同步调制和 异步调制都有失偏颇，此时采用分段同步调制。即在恒转矩区的低速段采用异步调制， 在恒功率区的高速段采用同步调制。但是，在调制比切换时可能出现电压突变甚至振荡。 3 6 4 电流追踪型p w m 控制 电流追踪型p w m 控制基本思路是：将一个正弦波电流给定信号与电机电流实测信号 相比较，若实际电流值大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小：反之，则 使之增加。使实际输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，并将偏差限制在一 定范围内：与此同时，逆变器输出的电压波成为p w m 波。这样，如果逆变器的开关器件 具有足够高的开关频率，则电机电流就能很快她调节其幅值和相位，使电机电流得到高 品质的动态控制。 电流追踪型p w m 控制主要有两种，即电流滞环控制型和固定开关频率型 ”1 。闭环控 制，是各种电流追踪型p w m 电路的共同特点。 ( 1 ) 电流滞环控制型 电流滞环控制型如图3 1 7 所示，通常是生成一个正弦波电流信号作电流给定信号， 将它与实际检测得到的电机电流信号进行比较，把指令电流f + 和实际输出电流f 的偏差 作为滞环比较器的输入，滞环比较器的输出控制开关器件t 1 和t 2 的通断。t 1 导通时， i 增大：t 2 导通时，i 减小，使实际电流追踪给定电流的变化。具体的说，如果电机电 流比给定电流大，并且大过滞环宽度的一半，则使上桥臂开关截止，使下桥臂开关导通， 从而使电机电流减小；反之，如果电机电流比给定电流小，并且小过滞环宽度的一半， 则使电机电流增大。滞环的宽度决定了在某开关动作之前，实际电流离开给定电流的 偏差值，图3 1 8 为电流追踪波形。 采用滞环比较方式的电流跟踪型p w m 电路硬件电路简单、实时控制、电流响应快， 滞环宽度窄时，电流有较高的精度。 大连理工大学硕士学位论文 电流滞环控制的缺点是它的开关频率是变化的。由于电力半导体开关器件的最大开 关频率的限制，最小滞环宽度要有所限制。如果开关频率的变化范围是在8 k h z 以下， 会产生让人讨厌的噪声。另外，滞环控制不能使输出电流达到很低，因为当给定电流太 低时，滞环调节作用将消失。 图3 1 7 电流滞环控制型原理图 f i g 3 1 7t h e o r yd i a g r a mo f c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l 一7 ，+ 八i 图3 1 8 滞环控制方式的指令电流和输出电流 f i g 3 1 8 r e f e r e n c ec u r r e n ta i l d p r a c t i c a lc u r f e n to f c u r r e n t h y s t e r e s i sc o n t r o l ( 2 ) 固定开关频率型 在工业应用中，最好是选择一个固定的开关频率，这样，很少有让人讨厌的噪声， 而且，逆变器的开关损耗也更小。图3 1 9 是常用的一种固定开关频率型电流追踪控制 原理图。 孔祥东：多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现 图3 1 9 固定开关频率型电流追踪控制 f i g 3 1 9c u r r e n tt r a c k i n gc i r c u i to f f i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y 该电路不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是闭环控制。把指令电流f 书u 、i v 和i * w 和实际输出电流f u 、i v 、i w 进行比较，求出偏差，电流控制器a 放大后，再和一 个固定频率的三角波进行比较，产生p w m 波形。在本质上，经电流控制器处理后的电流 误差信号就是调制信号，而三角波信号就是载波信号。如果给定电流信号比实测电流信 号更大，结果，误差信号为正，经过与三角波调制后，使上桥臂开关器件导通，从而使 实际电流增加；反之，则使实际电流减小。 电流控制器a 通常具有比例积分特性或比例特性，以调整电流误差信号，使电机电 流大小和相位的误差最小。三角波的频率就是对指令电流和被控电流之间偏差值的采样 频率，按偏差的极性来控制开关器件通断，每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指 令电流的误差减小。 这种控制方式输出电流谐波少。三角波的频率越高( 载波比高) ，给定电流信号正弦 性越好，则逆变器输出电流波形的正弦性也越好。和滞环比较方式相比，电流误差没有 一定的环宽，控制的精度低一些，且另外需要一个额外的三角波发生环节和一个p i d 环 节。 对比上面两种方案，各有各自的优缺点。电流滞环型由于不需要三角载波环节，控 制系统实现起来比较简单。而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优 势。在实际的步进电机驱动电路中可根据需要选择合适的电流跟踪型p w m 控制方式。 大连理工大学硕士学位论文 4 多细分三相混合式步进电机驱动器的总体设计 4 1 设计指标 ( 1 ) 适用面广。具有1 6 种细分设置和4 种3 a 8 a 输出相电流设置。1 6 种细分设置基本 涵盖了用户对电机不同步距角的要求，通过设置不同相电流可以满足不同电机的要求。 ( 2 ) 采用固定开关频率型电流追踪p w m 控制方式，三相正弦电流驱动输出，使三相混 合式电机低速运行平稳，噪音小。 ( 3 ) 具备短路、过压、欠压、过热等完善保护功能，可靠性高。 ( 4 ) 工作温度范围满足工业级标准( 一2 5 + 8 5 ) 。 4 2 总体方案设计 驱动器的总体方案如图4 1 所示，整体上可分为三大部分： 图4 1 驱动器的总体方案 f i g 4 1o v e r a l ls c h e m eo f d r i v e r ( 1 ) 主回路部分 驱动器的主回路采用交一直一交电压型逆变电路形式，由整流滤波电路、三相逆变电 孔祥东：多细分三相混合式步迸电机驱动器研究及实现 路以及混合式步进电机等组成。整流滤波电路构成